TWI538356B - 同步式磁阻馬達 - Google Patents
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Description
本發明係有關一同步式磁阻馬達，其被用於工廠或空氣調節機及汽車等，並使用磁阻扭矩，詳細地說，係關於同步式磁阻馬達的構成。
同步式磁阻馬達係，藉由在轉子芯上形成狹縫狀的通量障壁，而具有在轉子的旋轉方向有不同磁阻之構成，並利用此構成而產生扭矩之馬達。與感應馬達相比，被評價為：具有不會產生轉子之二次銅耗之優點，在使用於工廠或空氣調節機及汽車等方面係受到注目。
然而，同步式磁阻馬達一般被認為功率因數很差，要使用於上述用途時，需要更進一步的改善。又，同步式磁阻馬達的輸出扭矩稱為磁阻扭矩T，產生上述轉子的旋轉方向之磁阻差異之原理，以下式(1)表示。
T=Pn(Ld-Lq)idiq…(1)
於此式(1)中，Pn表示極對數，Ld、Lq分別表示d、q軸之電感，id、iq分別表示d、q軸之電流。
根據第(1)式可得知，為了加大每單位電流
之扭矩並提升效率，加大d、q軸電感之差Ld-Lq是有效的。
另外可知道，於同步式磁阻馬達中，為了加大功率因數，只要加大d、q軸電感之比Ld/Lq即可。又，d、q軸電感之比Ld/Lq之值一般被稱為凸極比。
如此，同步式磁阻馬達中，為了加大d、q軸電感之差Ld-Lq或凸極比Ld/Lq而為下述構成：藉由在轉子芯設有被稱為通量障壁之複數層的狹縫，以沿著複數層的狹縫的方向形成磁通量容易流過之d軸磁路，同時，加大橫越了複數層狹縫之q軸磁路的磁阻。
另外，以上述之通量障壁構造為基本構造，為了加大扭矩並提升效率，提議如以下之技術。
例如，提議一種具有下述構成之同步式磁阻馬達：以從定子流入轉子之磁通量在轉子中心側流動之方式，來控制定子，並以此當作前提，將配置有中心側為凸之芯層(狹條)的芯片朝轉子軸向積層而成之轉子芯中，令轉子中心側之芯層的芯層半徑方向的寬度比轉子外側的芯層還要寬，且令轉子中心側的狹縫的狹縫半徑方向的寬度比轉子外側的狹縫還要寬或同寬(例如參照專利文獻1(特別參照段落[0002]-[0017]和第2圖))。
根據此同步式磁阻馬達，由於使從定子流入之磁通量會集中之轉子中心側之芯層變厚，因此不會發生磁飽和，可加大馬達的扭矩。
另外，例如，提議一同步式磁阻馬達，其係將生成一個通量障壁(磁路組)之複數個芯層(分割磁路)
的寬度設成分別使該通量障壁群內的中心部及最外部的寬度變窄，而使中央部的寬度變寬，藉此降低扭矩波動(例如參照專利文獻2(特別參照段落[0021]和第4圖))。
專利文獻1：日本特開平第11-127560號公報
專利文獻2：日本特開第2004-96808號公報
然而，習知技術有如下之課題。
專利文獻1之同步式磁阻馬達係有下述前提：以越靠近轉子中心側之芯層，其流動之磁通量越多之方式來控制定子，然而，針對此控制是否為用於加大扭矩而提升效率之合適的控制條件而言，並無檢驗也未有表示。因此，包含為了提升效率之控制條件的探討，成了殘留課題。
另外，專利文獻2之同步式磁阻馬達雖然可降低扭矩漣波(torque ripple)，但並無針對其平均輸出扭矩之大小及效率進行探討，對於更加提高效率之構成，成了殘留課題。
本發明係為了解決如上述課題而完成的發明，目的係在於得到一種可提升效率之同步式磁阻馬達。
本發明之同步式磁阻馬達係具備有將轉子
芯固定於軸上而構成之轉子、及具有線圈之定子，轉子與定子間隔著磁隙而配置成可相對自由旋轉，於該同步式磁阻馬達中，轉子芯在圓周方向具有極數份的通量障壁，該通量障壁係由一個以上的狹縫與芯層於徑向交互排列所形成，同步式磁阻馬達中，令狹縫於q軸線上之徑向寬度之總和與磁隙長之比率為k，令離d軸的前進角度為通電相位β之電流在前述線圈通電來控制旋轉，芯層中，自d軸減去ψ=arctan(tan β/(1+0.2k))之角度的通過轉子中心之直線與轉子的外周交於一點P，處於圓周方向最接近該點P的位置的芯層的q軸線上之徑向寬度，比其他芯層之q軸線上之徑向寬度都還大。
根據本發明之同步式磁阻馬達係如下構成：自d軸減去ψ角之通過轉子中心的直線與轉子的外周交於一點P，處於圓周方向最接近該點P的位置的芯層的q軸線上之徑向寬度，係比其他芯層之q軸線上之徑向寬度都還大。
因此，位於自定子流入轉子之磁通量為最大的位置之芯層被增厚，而迴避此芯層之磁飽和，藉此可加大d軸電感，並可產生大的扭矩。
從而，可提升同步式磁阻馬達的效率。
1‧‧‧同步式磁阻馬達
2‧‧‧控制裝置
3‧‧‧電源供給線
4‧‧‧定子芯
5‧‧‧線圈
6‧‧‧定子
7‧‧‧轉子芯
8‧‧‧軸
9‧‧‧轉子
10、10a至10f‧‧‧芯層
11、11a至11e‧‧‧狹縫
12‧‧‧通量障壁
13‧‧‧橋
14‧‧‧軸承
15‧‧‧框架
21‧‧‧電流控制器
22‧‧‧二相/三相轉換器
23‧‧‧電力轉換器
24‧‧‧三相/二相轉換器
25、25a至25c‧‧‧電流檢測器
26‧‧‧旋轉位置估算器
37‧‧‧轉子芯片
38、38A至38D‧‧‧轉子芯組
39‧‧‧填隙件
a至e‧‧‧徑向寬度
A‧‧‧標示線線上之點
E‧‧‧感應電壓
g‧‧‧徑向距離(間隙長)
ia‧‧‧下述id及iq之向量和
id、iq‧‧‧d、q軸電流
id*、iq*‧‧‧d、q軸電流指令
iu、iv、iw‧‧‧三相電流
k‧‧‧定義於第(9)式之一比率
Ld、Lq‧‧‧d、q軸電感
O‧‧‧轉子中心
P‧‧‧交點
PF‧‧‧功率因數
Pn‧‧‧極對數
T‧‧‧扭矩
Vd*、Vq*‧‧‧d、q軸電壓指令
Vu*、Vv*、Vw*‧‧‧三相電壓指令
Φ‧‧‧磁通量
β‧‧‧通電相位
ζ‧‧‧凸極比
θ‧‧‧旋轉位置
ψ‧‧‧磁通量與d軸所成之角度
ω‧‧‧電氣的角頻率
第1圖係關於利用本發明實施型態1之同步式磁阻馬
達之際，表示系統之構成圖。
第2圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，沿著軸線方向截斷之剖面圖。
第3圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，用第2圖之A-A線截斷之剖面圖。
第4圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，表示拔出其轉子之剖面圖。
第5圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，表示驅動控制之控制裝置之方塊圖。
第6圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，表示驅動控制之控制裝置之另一方塊圖。
第7圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達中，表示電壓、電流及磁通量的向量之說明圖。
第8圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，表示凸極比與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率的關係之說明圖。
第9圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，針對轉子，表示q軸線上狹縫徑向寬度之說明圖。
第10圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達，表示於間隙面所生成的磁通量密度的分布之示意圖。
第11圖係關於本發明實施型態2、3之同步式磁阻馬達，表示總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率與效率的關係之說明圖。
第12圖係關於本發明實施型態4之同步式磁阻馬達，
表示通以固定電流時，輸出扭矩相對於通電相位之說明圖。
第13圖係關於本發明實施型態4之同步式磁阻馬達，在通電相位為45°之情況下，表示角度ψ與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率的關係之說明圖。
第14圖係關於本發明實施型態5之同步式磁阻馬達，表示通電相位與功率因數的關係之說明圖。
第15圖係表示：表示第14圖中功率因數最大值之通電相位與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率的關係之說明圖。
第16圖係關於本發明實施型態5之同步式磁阻馬達，在通電相位為第15圖所示之值的情形下，表示角度ψ與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率的關係之說明圖。
第17圖係關於本發明實施型態6之同步式磁阻馬達，表示通電相位與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率的關係之說明圖。
第18圖係關於本發明實施型態7之同步式磁阻馬達，表示其轉子之斜視圖。
第19圖係關於本發明實施型態8之同步式磁阻馬達，表示其轉子芯組的軋延方向之說明圖。
第20圖係關於本發明實施型態9之同步式磁阻馬達，例示形成轉子芯片之填隙件的位置之說明圖。
第21圖係關於本發明實施型態9之同步式磁阻馬達，例示形成轉子芯片之填隙件的位置之另一說明圖。
第22圖係關於本發明實施型態11之同步式磁阻馬
達，表示其轉子之剖面圖。
以下用圖式說明本發明之同步式磁阻馬達之合適實施型態，於各圖中同樣的或相當的部分，附加相同的符號來說明。
第1圖係關於利用本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1之際，表示系統之構成圖。第1圖之同步式磁阻馬達1係，經由電源供給線3與控制裝置2連接，將控制裝置2所供給之電能變換為機械能之電力機械。
第2圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，沿著軸線方向截斷之剖面圖。第2圖中，藉由壓入或收縮配合等方法***並固定於框架15之定子6，其與轉子9利用軸承14，隔著機械間隙(磁隙)而配置為可相對地自由旋轉。
定子6係於包含鐵芯之定子芯4，施以線圈5而構成。控制裝置2供給電能至該線圈5，藉此，於磁隙中產生旋轉磁場。另外，轉子9係，於包含鐵芯之轉子芯7的中心，藉由押入或收縮配合等方法而***軸8，所一體而成之物。
第3圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，用第2圖之A-A線截斷之剖面圖。第3圖中，定子6與轉子9係以保有機械間隙之徑向距離g(間隙長)之方式配置成近乎同心圓狀。
第4圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，表示拔出其轉子9(第3圖的轉子部分)之剖面圖。第4圖中，於轉子芯7，同樣形狀的四個通量障壁12在圓周方向以近乎等間隔地形成。從而，關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，係以可做為四極馬達而驅動之方式所構成。
另外，通量障壁12中，用不同於形成轉子芯7之鐵芯的材料而形成之狹縫11，係在徑向呈五列(11a至11e)排列，而殘留之鐵芯部分係形成芯層10a至10f。又，狹縫11的數量不限定為五個，也可為其他數量。
在此，一個狹縫11係形成為至少q軸線上之徑向寬度為最大，並以狹縫11之長端方向的端部到端部皆保持同樣寬度為理想。然而，例如狹縫11e，係在轉子9的最外周側，有無法保有同樣寬度之情形。另外，狹縫11之端部有去角而呈圓弧狀之情形，此為可容許之範圍。
另外，在第4圖中轉子芯7的剖面上，定義磁通量容易通過之方向為d軸，定義磁通量不易通過之方向為q軸。又，d軸與q軸有90度之電氣上的相位差。在此定義一點P，P為一直線與轉子9外周之交點，該直線係自d軸電性旋轉達角度ψ而通過轉子中心O者。此時，離交點P於圓周方向上最近之位置所形成的芯層10b，其於q軸線上之徑向寬度，係比其他芯層10於q軸線上之徑向寬度都要厚實地形成。
接著，針對角度ψ來說明。如上所述，本
發明實施型態1之同步式磁阻馬達1係藉由第1圖所表示的控制裝置2，來控制定子6之線圈5內的通電電流。
第5圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，表示驅動控制之控制裝置2之方塊圖。另外，第6圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，表示驅動控制之控制裝置2之另一方塊圖。第5圖、第6圖係所謂向量控制的方塊圖。
第5圖中，旋轉位置檢測器20檢測與同步式磁阻馬達1連結之轉子9之旋轉位置，藉此，轉送旋轉位置θ至控制裝置2。又，旋轉位置檢測器20如第6圖所表示，可與配置於控制裝置2內之旋轉位置估算器26替換。
在用旋轉位置檢測器20的情形下，具有可提高檢測位置精確度之優點。另一方面，在用旋轉位置估算器26的情形下，即使檢測精確度比旋轉位置檢測器20差，但具有減少元件數量所致之經濟的優點，藉由根據應用來選擇，可提供合適的同步式磁阻馬達1。
另外，有關同步式磁阻馬達1之控制，基於控制裝置2之內部或外部所給予之電流指令id*及iq*來控制電流。具體而言，首先，將自電流檢測器25所得之三相電流iu、iv及iw之值與旋轉位置θ，一起輸入至三相/二相轉換器24。
接著，將計算所得之二相電流id及iq作為三相/二相轉換器24之輸出，當作回饋資訊輸入至電流控制器21。下一步，於電流控制器21的內部，基於二相電
流id及iq，以及電流指令id*及iq*，藉由PID控制等方法，計算電壓指令Vd*及Vq*並輸出。
輸出之電壓指令Vd*及Vq*與旋轉位置θ一起被輸入至二相/三相轉換器22，計算出三相的電壓指令Vu*、Vv*及Vw*並予以輸出。此等三相的電壓指令Vu*、Vv*及Vw*被輸入至電力轉換器23，並輸出要供給至同步式磁阻馬達1的電力。如此，以縮小二相電流id及iq與電流指令id*及iq*之差分之方式來進行控制。
下一步，針對施加、通電於同步式磁阻馬達1之電壓、電流，用向量圖來說明。第7圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1中，表示電壓、電流及磁通量的向量之說明圖。
當藉由控制裝置2而通以二相電流id及iq，由於存在有馬達的d軸電感Ld及q軸電感Lq，於是產生磁通量Ldid及Lqiq。另外，屬於彼等之向量和的磁通量Φ係流過同步式磁阻馬達1，由於此磁通量旋轉，而感應出電性超前磁通量Φ達90度角之感應電壓E。
此時，表示磁通量Φ之向量與d軸所成之角為角度ψ。利用磁通量Ldid及Lqiq，則角度ψ如下式(2)所表示。
ψ=arctan(Lq．iq/Ld．id)…(2)
在此，若以二相電流id及iq之向量和為電流ia，則定義電流id與電流ia所成之角度β，稱其為通
電相位(超前角度)β。另外，成立有用此角度β之下式(3)、(4)。
id=ia．cos β…(3)
iq=ia．sin β…(4)
另外，代入上述第(2)式至此等第(3)、第(4)式中，藉此，可得下式(5)。
ψ=arctan(Lq/Ld．tan β)…(5)
此外，以d軸電感Ld與q軸電感Lq之比率為凸極比ζ，如下式(6)定義，並定義q軸線上之狹縫11徑向寬度之總和與間隙長之比率為k。
ζ=Ld/Lq…(6)
另外，根據由有限元素法所得之電磁場解析，而導出凸極比ζ與比率k之間，有如第8圖的關係，亦即，如下式(7)的關係。第8圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，表示凸極比ζ與總狹縫寬度之相對於磁隙寬度的比率k的關係之說明圖。
ζ=0.2k+1…(7)
另外，用此等第(6)、第(7)式來整理上述第(5)式，藉此，可得下式(8)。
ψ=arctan(tan β/(1+0.2k))…(8)
在此，參照第9圖，比率k能以下式(9)表示。第9圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，針對轉子9，表示q軸線上狹縫11徑向寬度(a至e)之說明圖。
k=(a+b+c+d+e)/g…(9)
第(9)式中，g表示間隙長。又，在第9圖中，由於表示之例於通量障壁12有五個狹縫11，因此比率k為第9式所表示，然而，無論狹縫11有多少個，由於比率k係定義為q軸線上之狹縫11徑向寬度之總和與間隙長之比，因此即便狹縫11的數量不同，比率k也能以類似的式子表示。
第10圖係關於本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1，表示於間隙面所生成的磁通量密度，亦即磁隙中感應磁通量的分布之示意圖。
第10圖中，磁隙中的磁通量密度近乎呈正弦波狀分布，其尖峰存在於偏離d軸達角度ψ之位置。此時，由於流過芯層10之磁通量係磁通量密度之積分，因此流入該離d軸達角度ψ之位置之磁通量比其他位置都要大，造成磁飽和，輸出扭矩低下之課題被發現。
於是，本發明實施型態1之同步式磁阻馬達1中，自d軸電氣地旋轉達角度ψ並通過轉子中心O之直線與轉子9外周之交點定義為P時，離交點P於圓周方向
上最近之位置所形成的芯層10b於q軸線上之徑向寬度，比起其他芯層10於q軸線上之徑向寬度，都要厚實地形成。此時，角度ψ係根據通電相位β與q軸線上之總狹縫徑向寬度相對於間隙長之比率k，而表示為如上述第(8)式之角度。
若係此種構成，則位置最靠近感應出磁通量Φ之中心位置之芯層10的徑向寬度係厚實地形成，藉此，可獲得如下效果：可防止因磁飽和所導致的扭矩降低；可得到比以往更良好之效率。
根據如上之實施型態1，係如下之構成：自d軸減去ψ角且通過轉子中心之直線與轉子的外周交於一點P，處於圓周方向最接近P的位置的芯層10的q軸線上之徑向寬度，係比其他芯層10的q軸線上之徑向寬度都要大。
因此，位於自定子流入轉子之磁通量為最大的位置之芯層10被增厚，而迴避此芯層之磁飽和，藉此可加大d軸電感，並可產生大的扭矩。
從而，可提升同步式磁阻馬達的效率。
本發明之實施型態2係有下述特徵：自實施型態1更加地，使q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k之值比67還要小。
第11圖係關於本發明實施型態2、3之同步式磁阻馬達1，表示總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率k，
與效率的關係之說明圖。第11圖表示之圖係以q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k為橫軸，以效率為縱軸。
第11圖，在q軸線上之總狹縫的徑向寬度與間隙長之比率k較67大之區域中，效率低下。這可如下述說明。亦即，若加大q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k，則轉子芯7中之狹縫寬度變大，因此，使芯層10相對地變窄。若芯層10變窄，則d軸磁路之磁路寬度變窄，因此容易造成磁飽和。
如上述實施型態1之說明，自d軸電氣地旋轉達角度ψ之通過轉子中心O之直線與轉子9外周之交點定義為P時，離交點P於圓周方向上最近之位置所形成的芯層10b於q軸線上之徑向寬度，比其他芯層10於q軸線上之徑向寬度，都還厚實地形成，即便如此，若q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k變大至超過67，則會造成磁飽和，使扭矩低下並使效率惡化。
因此，抑制q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k，使其為小於67之值為理想。藉由此種構成，可抑制磁飽和，得到良好的效率。
本發明之實施型態3係有下述特徵：自實施型態1更加地，使q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k之值比34還大。
上述第11圖，在q軸線上之總狹縫的徑向
寬度相對於間隙長之比率k較34小之區域中，效率低下。這可如下述說明。亦即，若縮小q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k，則轉子芯7中之狹縫寬度變小，因此，減少了妨礙q軸磁通量流通之效果。換言之，q軸電感Lq變大，成為無法良好地輸出扭矩之架構。
如上述實施型態1之說明，自d軸電性旋轉達角度ψ之通過轉子中心O之直線與轉子9外周之交點定義為P時，離交點P於圓周方向上最近之位置所形成的芯層10b於q軸線上之徑向寬度，比其他芯層10於q軸線上之徑向寬度，都還厚實地形成，即便如此，若q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k變小至低於34，則q軸電感Lq增大而扭矩低下，使效率惡化。
因此，以q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k大於34之值之方式來構成狹縫11為理想。藉由此構成，可縮小q軸電感Lq，得到良好的效率。
又，設定q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k，使其為大於34並小於67之值，藉此，縮小q軸電感Lq的同時，抑制磁飽和，可得到良好的效率。
上述實施型態1中雖未詳述通電相位β，但於本發明實施型態4中針對通電相位β做說明。如上所述，d軸電流id及q軸電流iq的向量和之電流ia，其所成之角為β，然而，為了輸出旋轉扭矩，有必要使通電相位
β於下式(10)的範圍內運轉。
0度<β<90度…(10)
上述專利文獻1中，從記載的「以越靠近轉子中心側之芯層，其流動之磁通量越多之方式」，可估計通電相位β接近0度。相對於此，本發明實施型態4中，較理想的係，為了使每單位電流之扭矩為最大，使通電相位β近乎45°為理想。
這可由表示於第12圖之上述第(1)式之圖來說明其有效性。第12圖係關於本發明實施型態4之同步式磁阻馬達1，表示通以固定電流時，輸出扭矩相對於通電相位β之說明圖。第12圖中表示輸出扭矩相對於通電相位β是如何地變化。如第12圖所明示，在通電相位β為45°時取得最大值，實質上，於45°±5°中可得到下述效果：可得到良好的效率。
另外，第13圖係關於本發明實施型態4之同步式磁阻馬達1，在通電相位β為45°之情況下，表示角度ψ與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率k的關係之說明圖。
在第13圖中，在上述實施型態2、3被說明為合適之q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k於34至67之範圍中，角度ψ係在4至7.5°的範圍內。藉由此種構成可得到下述效果：與控制裝置2組合而成之同步式磁阻馬達1，其驅動效率可更加地提高。
對於上述之實施型態4，為了加大同步式磁阻馬達1的功率因數，設成如下述之通電相位β則為理想。首先，功率因數PF表於下式(11)。
PF=cos(π/2+ψ-β)=-cos(β+arctan((1+0.2k)/tanβ))…(11)
在此，第14圖即為將第(11)式表示為圖之物。第14圖係關於本發明實施型態5之同步式磁阻馬達1，表示通電相位β與功率因數PF的關係之說明圖。第14圖中以通電相位β為橫軸，以功率因數PF為縱軸。
第14圖中各自表示了q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k從20到80之間，各情形下之曲線。表示了在各比率k之值中，曲線在66°到75°附近取得最大值，在此範圍內通電之功率因數為最佳。又，實用上，在56°到85°的範圍間通電，藉此，可用更高的功率因數來運轉。
第15圖係表示：表示第14圖中功率因數最大值之通電相位β與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率k的關係之說明圖。亦即，將功率因數為最大時之通電相位β，作為q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k之函數而重繪之圖。又，上下±10°係實用上不引起問題之範圍，以陰影顯示。
又，第16圖係關於本發明實施型態5之同步式磁阻馬達1，在通電相位為第15圖所示之值(亦即，
功率因數為最大時之通電相位β)的情形下，表示角度ψ與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率k的關係之說明圖。
在第16圖中，在上述實施型態2、3被說明為合適之q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k於34至67之範圍中，角度ψ係在15至20°的範圍內。藉由此種構成，隨著加大功率因數，可得到下述效果：與控制裝置2組合而成之同步式磁阻馬達1的驅動效率可更加地提高。
對於上述實施型態4、5，在固定的施加電壓下，為了使扭矩為最大而提升效率，以下式(12)之方式來設定通電相位β為理想。
β=arctan(1+0.2k)…(12)
又，於施加了固定之施加電壓之情況下的扭矩，由下式(13)所表。
T=Pn/2(1/Lq-1/Ld)(V/ω)2 sin(2arctan(tan(β)/(1+0.2k)))…(13)
上述第(12)式係為，當第(13)式所表示之扭矩最大的情形下，亦即sin函數項為1時，藉由導出此時的通電相位β與q軸線上之總狹縫的徑向寬度相對於間隙長之比率k的關係而得者。另外，第(13)式中，Pn係表示同步式磁阻馬達1之極對數，ω係表示電性角頻率。如上述第(12)式控制通電相位β的情形中，由於在一定的電壓
條件下能使扭矩最大，因此可提升效率。
在此，第17圖即為將第(13)式表示為圖者。第17圖係關於本發明實施型態6之同步式磁阻馬達1，表示通電相位與總狹縫寬度相對於磁隙寬度的比率的關係之說明圖。又，上下±5°係實用上不引起問題之範圍，以陰影顯示之。
此時，角度ψ從上述第(8)式和第(12)式可計算如下式，若改變單位來表現，即為45°。
ψ=arctan(tan(arctan(1+0.2k))/(1+0.2k))=π/4[rad]
從而，本發明之實施型態6中，自d軸電性旋轉達角度ψ=45°之通過轉子中心O的直線與轉子9外周之交點定義為交點P時，離交點P於圓周方向上最接近之位置所形成的芯層10b於q軸線上之徑向寬度，比起其他芯層10於q軸線上之徑向寬度，都還厚實地形成。藉由如此構成，即使在有限的電壓條件下，也可以得到下述效果：與控制裝置2組合而成之同步式磁阻馬達1，其驅動效率可更加地提高。
第18圖係關於本發明實施型態7之同步式磁阻馬達1，表示其轉子9之斜視圖。第18圖中，係藉由衝壓電磁鋼板等薄板鋼板衝切掉狹縫11而形成轉子芯片37，並對齊狹縫11的位置而積層該轉子芯片37達所希望的片數，藉此而構成轉子芯7。此時，也可將狹縫11的位置
於圓周方向，稍微地或僅以所希望的量，來施以階梯狀偏離之偏斜(skew)。
在從控制裝置2通電之電流中，含有和旋轉數不同步之成分的情形下，若轉子芯7係由如無雜質材料等於軸向相連而形成，則會有因渦電流流動所產生的損耗，而使效率惡化之問題。
因此，本發明之實施型態7中，藉由積層薄板鋼板，可切斷發生在轉子芯7內之渦電流的路徑。如此一來，可大幅地減低渦電流之損耗，可得到提升同步式磁阻馬達1之效率的效果。
對於上述實施型態7，較宜為，將積層之轉子芯片37逐一分為複數片而形成轉子芯組38，並以如下所說明之方式予以積層。另外，更理想的是，讓分組後的轉子芯組38的數量為極數之約數且非為1之數的自然數倍。
例如，如上述第18圖所表示，將轉子芯片37分成四個轉子芯組38A、38B、38C及38D，使其各自之寬度相等。此時，四係等同於本發明實施型態8之同步式磁阻馬達1的極數。
另外，第19圖係關於本發明實施型態8之同步式磁阻馬達1，表示其轉子芯組38的軋延方向之說明圖。接著，使薄板鋼板以朝向第19圖所示的軋延方向之方式來對齊並積層，而成為一個轉子芯組38。另外，將各個
轉子芯組38維持第19圖所示的軋延方向來積層，藉此，構成第18圖所表示的轉子芯7。
此時，於第19圖之例，相互地轉動90°軋延方向，被旋轉之角度，於轉子芯組38之間呈等分割。又，在施有偏斜之情況下，雖然軋延方向並不完全對齊，而偏離有偏斜角度，但仍在實用範圍內。藉由此種構成，可以減低由於薄板鋼板的板塊厚度之偏差所導致之轉子芯7之形狀不平衡，可得到高效率之同步式磁阻馬達1。
又，本發明之實施型態8中，更理想的是，分組後的轉子芯組38的數量，為極數的自然數倍。此種構成雖然與第18圖所表示之物相同，但就去除了極數之約數的自然數倍的數之點而言係不同。若如此構成，由於可減低極點的不平衡，因此可得到高效率之同步式磁阻馬達1。
本發明之實施型態9係有下列特徵：對於上述實施型態6至8之同步式磁阻馬達1，為了在軸8方向連結固定已積層之轉子芯片37，而施以填隙件39。
第20圖係關於本發明實施型態9之同步式磁阻馬達1，例示形成轉子芯片37之填隙件39的位置之說明圖。第20圖中，自d軸電氣地旋轉達角度ψ之通過轉子中心O的直線與轉子9外周之交點定義為交點P時，離交點P於圓周方向上最接近之位置所形成的芯層10b的區域內至少設有一個填隙件39。
又，已知若形成填隙件39，則其周圍芯的
磁特性會劣化。因此，本發明之實施型態9中，在最厚實地形成之芯層10內形成填隙件39，藉此，大幅地抑制磁特性劣化之影響，而可得到高效率之同步式磁阻馬達1。
又，本發明之實施型態9中，填隙件39的形狀以沿著狹縫11的形狀之方式來形成為理想。上述第20圖中所示之例，雖然於各芯層10設有一個填隙件39，但為了得到所希望的連結固定強度，可如第21圖所示，以同樣的配置設有複數個填隙件39。
第21圖係關於本發明實施型態9之同步式磁阻馬達1，例示形成轉子芯片37之填隙件39的位置之另一說明圖。如第21圖所示，在設有複數個填隙件39的情形下，理想的是，對於q軸軸線以線對稱之方式配置填隙件39。
本發明之實施型態10具有下述特徵：於狹縫11與轉子芯7的外周之間形成的橋13(參照第20、21圖)之徑向寬度係薄板鋼板之板塊厚度的兩倍以下。具體而言，用板塊厚度為0.35至1.0mm之薄板鋼板，形成有徑向寬度為0.5至2mm之橋13為理想。
已知電磁鋼板若藉由衝壓機衝切，則於軋延平面，自衝切破裂面到近乎板塊厚度之一半的距離，其磁特性有劣化之事實。另外，橋13具有將藉由衝切掉狹縫11而形成之複數個芯層10a至10f予以物理性地綁為一體之功能，另一方面，形成q軸磁路。
在此，於上述之技術可明白q軸電感Lq係以較小者為佳，從電磁氣觀點來看橋18係不需要的部分。因此，讓橋13之徑向寬度為薄板鋼板的鋼板厚度的兩倍以下，藉此，讓橋13大部分的區域處於因為衝壓之衝切所導致之磁特性劣化狀態。藉著此種構成，由於可防止q軸電感Lq的增加，可加大輸出扭矩，因此可得到提升馬達效率之效果。
第22圖係關於本發明實施型態11之同步式磁阻馬達1，表示其轉子9之剖面圖。上述實施型態1至10中，狹縫11雖為圓弧狀，但也可如第22圖所示，為直線構成之狹縫11，藉由與實施型態1至10相同之構成，可得到相同的效果。另外，與此類似，例如以圓弧與直線組合之狹縫形狀也相同。
7‧‧‧轉子芯
8‧‧‧軸
9‧‧‧轉子
10a至10f‧‧‧芯層
11a至11e‧‧‧狹縫
12‧‧‧通量障壁
O‧‧‧轉子中心
P‧‧‧交點
ψ‧‧‧磁通量與d軸所成之角度
Claims (13)
- 一種同步式磁阻馬達，係具備有將轉子芯固定於軸上而構成之轉子、及具有線圈之定子，前述轉子與前述定子間隔著磁隙而配置成可相對自由旋轉，於該同步式磁阻馬達中，前述轉子芯在圓周方向具有極數份的通量障壁，該通量障壁係由一個以上的狹縫與芯層於徑向交互排列所形成，前述同步式磁阻馬達中，令前述狹縫於q軸線上之徑向寬度之總和與前述磁隙長之比率為k，令離d軸的前進角度為通電相位β之電流在前述線圈通電來控制旋轉，前述芯層中，自d軸減去ψ=arctan(tanβ/(1+0.2k))之角度的通過轉子中心的直線與前述轉子的外周交於一點P，處於圓周方向最接近該點P的位置的芯層的q軸線上之徑向寬度，比其他芯層之q軸線上之徑向寬度都還大。
- 如申請專利範圍第1項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述比率k設定為比67小之值。
- 如申請專利範圍第1項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述比率k設定為比34大之值。
- 如申請專利範圍第1項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述比率k設定為比34大，比67小之值。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任何一項所述之同步 式磁阻馬達，其中，前述通電相位β設定為比0°大，比90°小之值。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任何一項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述通電相位β設定於55°到85°的範圍。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任何一項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述通電相位β設定為arctan(1+0.2k)±5[°]。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任何一項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述轉子芯係由薄板鋼板於前述軸之軸向積層而形成。
- 如申請專利範圍第8項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述轉子芯係以下述方式形成：積層朝前述薄板鋼板之軋延方向對齊的轉子芯片而形成轉子芯組，使用複數個轉子芯組，使各前述轉子芯組的軋延方向旋轉達相等之角度，並予以積層。
- 如申請專利範圍第9項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述轉子芯組的個數係前述轉子芯的極數之約數的自然數倍之個數。
- 如申請專利範圍第9項所述之同步式磁阻馬達，其中，前述轉子芯組的個數係前述轉子芯的極數的自然數倍之個數。
- 如申請專利範圍第9項所述之同步式磁阻馬達，其中，藉由距離點P於圓周方向最接近的位置的芯層中，於 每一極至少形成一個的填隙件，而於軸向連結固定前述轉子芯片，其中，該點P為自d軸減去前述ψ之角度之通過轉子中心的直線與前述轉子的外周所相交之點。
- 如申請專利範圍第8項所述之同步式磁阻馬達，其中，於前述狹縫與前述轉子芯的外周之間所形成的橋的徑向寬度，係前述薄板鋼板的板塊厚度的兩倍以下。
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